本发明专利技术提出了一种基于宽波束定向通信的分簇组网方法，属于定向无线通信组网技术领域。本方法通过分簇实现兼容不同信道传输特性的网络内通信节点的业务可靠性传输，簇内通信节点间距离相对较近，信道连续且稳定，采用分布式异步组网方式，簇间通信节点间距离相对较远，信道随机且突发，采用异步点对点通信方式。本方法在基于宽波束定向通信的分簇组网场景下，通过融合簇内与簇间两种不同信道传输特性的应用方式，并设计统一的MAC通信协议，以提高某些特殊应用场景下的无线通信网络的覆盖范围、传输效率和系统容量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及定向无线通信组网，特别是一种基于宽波束定向通信的分簇组网方法。该方法结合了无线通信中的宽波束定向传输技术、分簇网络架构以及信道传输特性的差异化应用，旨在提高无线通信网络的覆盖范围、传输效率和系统容量，适用于某些特殊应用场景。
技术介绍
1、随着无线通信技术的快速发展，无线通信网络面临着日益增长的连接设备数量、数据传输需求以及复杂多变的通信环境。传统的无线通信技术难以同时满足大范围覆盖，高数据传输速率和低功耗的需求。为了解决这些问题，分簇组网技术应运而生，通过将网络划分为多个小范围、自组织的簇结构，每个簇内设备通过短距离通信实现高效连接，簇间则通过长距离通信进行信息交换。然而，现有的分簇组网方法往往忽视了簇内与簇间信道传输特性的差异，导致通信效率低下，且缺乏统一的通信协议来支持不同信道传输特性的融合应用。
2、宽波束定向通信技术是一种能够实现远距离、低功耗通信的有效手段，通过调整天线的波束宽度和方向，可以在保证覆盖范围的同时提高通信的可靠率和效率。然而，如何将其应用于分簇组网中，特别是结合簇内与簇间信道传输特性的差异，实现通信协议的统一化设计，仍是当前无线通信领域亟待解决的问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于宽波束定向通信的分簇组网方法，通过融合簇内与簇间两种不同信道传输特性的应用方式，并设计统一的mac通信协议，以提高某些特殊应用场景下的无线通信网络的覆盖范围、传输效率和系统容量。
2、本专利技术采用的技术方案为：
3、一种基于宽波束定向通信的分簇组网方法，包括以下过程：
4、步骤1，按照分簇构建规则进行分簇网络规划；根据设备的地理位置、通信需求以及信道条件，将网络划分为多个簇，每个簇内包含设定数量的设备，一个设备作为一个通信节点，并规划每个簇内通信节点的天线波束宽度和方向，以及规划簇间通信节点的身份、天线方向与拓扑关系；
5、步骤2，各通信节点开机后进行网络构建与维护；其中，不同簇之间的拓扑连接基于规划指定，簇内各通信节点通过交互节点探测帧直至各通信节点的拓扑表收敛，取双向链路组成全网拓扑，并进行网络维护；
6、步骤3，簇内和簇间进行业务传输；其中，簇内通信过程基于分布式的链路时隙预约与传输，采用csma和tdma混合式mac通信协议实现；簇间通信过程基于频谱测量技术的异步点对点通信方式，并采用跳频抗干扰技术实现；当簇间节点同时进行簇内通信和簇间通信时进行优先级排队。
7、进一步的，步骤2中簇内各通信节点通过交互节点探测帧直至各通信节点的拓扑表收敛，取双向链路组成全网拓扑，并进行网络维护，具体过程为：
8、簇内各通信节点采用非持续csma协议在发送间隔范围t1内以概率p1获取发送机会，发送携带当前节点拓扑表信息的节点探测帧，接收到节点探测帧的邻居节点，将自身的节点探测帧与接收到的节点探测帧取并集，不断交互直到各通信节点的拓扑表收敛一致得到稳定的拓扑表，取双向链路组成全网拓扑；
9、网络建立之后，各通信节点采用非持续csma协议在发送间隔范围t2内以概率p2获取节点探测帧的发送机会，发送携带当前节点拓扑表信息的节点探测帧，接收到节点探测帧的邻居节点，将自身的节点探测帧与接收到的节点探测帧取并集，不断交互直到各通信节点的拓扑表收敛一致得到稳定的拓扑表，并且设置退出超时时间τ删除拓扑表中当前节点邻居信息，从而进行网络维护；其中，t1、p1、t2和p2均为设定值。
10、进一步的，步骤3中，簇内通信过程具体为：
11、通信节点产生业务发送需求后根据流量预估产生预留申请，然后参照非持续csma协议在发送间隔范围t4内以概率p4获取预留帧rf交互的时机，并根据当前发送竞争队列的情况按照优先级进行竞争，当竞争胜出时真正获取预留帧rf的发送机会；然后，基于接收的预留帧进行时间同步，并采用非连续的五步预留协议fprp进行链路间的tdma广播时隙的分配，分配过程中，接收端根据已建立的全网拓扑对接收到的预留帧进行过滤；其中，t4和p4为设定值。
12、进一步的，步骤3中，簇间通信过程具体为：
13、(1)信道探测过程，当规划的簇间链路上有簇间业务传输需求时，采用非持续csma协议在发送间隔范围t3内以概率p3获取发送机会后，选取一组固定频点跳频发送信道探测帧；接收到信道探测帧后使用对端最佳频点跳频回复信道确认帧沟通各自选取的最佳频点；同时，回复信道确认帧携带接收端当前传输时间安排，若发送端指定时间内收不到信道确认帧，则重复此过程；其中，t3和p3为设定值；
14、(2)业务传输过程，业务发送端接收到信道确认帧后，获取接收端最佳接收频点，然后根据获取的接收端通信节点当前传输时间安排信息分配产生新的结果，并使用接收端最佳频点跳频发回接收端；接收端根据收到的最新传输时间安排与当前传输时间安排做优先级竞争，优先保证簇间业务需求；信道确认帧的发送时机以簇间预留帧和簇内rf帧末尾对齐为基准计算，使得簇间业务和簇内业务使用的传输时隙对齐到一段共用的特定帧结构上，该帧结构是簇间预留帧或簇内rf帧之后紧邻的m个信息帧，信息帧中包含多个信息时隙，这些信息时隙分别被簇间业务和簇内业务竞争占用，发送端使用接收端最佳频点跳频传输业务。
15、进一步的，步骤3中，当簇间节点同时进行簇内通信和簇间通信时进行优先级排队，具体过程为：
16、(1)发送优先级排队，当通信节点同时参与三个基于非连续csma协议的相互独立的发送过程时，即簇内节点探测帧、簇间信道探测帧和fprp交互使用到的预留帧，按照簇间信道探测帧＞簇内节点探测帧＞fprp交互使用到的帧的优先级顺序进行排队；
17、(2)簇间接收端rs竞争优先级排队，簇间通信时，若接收端反馈的传输时间安排空闲时隙不满足簇间通信要求，则发送端竞争占用某些已预留时隙形成新的传输时间安排申请回复；接收端收到回复后，优先将相关时隙为簇间预留，并将结果通过fprp协议扩散到其一到两跳范围的通信节点；
18、(3)额外冲突避免机制，根据簇间信道通断间隔、稳定连通持续时间和衰落特性，选择簇内fprp非连续分配周期中信息帧if的数量m、簇间协议参数t3和p3，得到符合信道传输特性的最佳参数组合；簇内采用固定频点跳频，簇间采用基于频谱测量的最佳频点跳频。
19、本专利技术相比现有技术的优点为：
20、1、设备统一化设计，可将基于宽波束定向通信的两种不同应用场景采用分簇网络架构融合在一起，扩展了无线通信网络的覆盖范围，满足某些特殊应用场景需求。
21、2、mac通信协议统一化设计充分考虑到两种应用场景的信道传输特性的差异及特点，方便无线网络的分簇构建与设计，为一些现有相似特点的无线网络的融合提供有效解决方案示例。
22、3、结合csma、fprp等成熟协议的优势，以及时分和频分等手段设计冲突避免机制，有效提高无线通信网络的传输效率和系统容量。引入跳频技术与频本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于宽波束定向通信的分簇组网方法，其特征在于，包括以下过程：
2.根据权利要求1所述的一种基于宽波束定向通信的分簇组网方法，其特征在于，步骤2中簇内各通信节点通过交互节点探测帧直至各通信节点的拓扑表收敛，取双向链路组成全网拓扑，并进行网络维护，具体过程为：
3.根据权利要求2所述的一种基于宽波束定向通信的分簇组网方法，其特征在于，步骤3中，簇内通信过程具体为：
4.根据权利要求3所述的一种基于宽波束定向通信的分簇组网方法，其特征在于，步骤3中，簇间通信过程具体为：
5.根据权利要求4所述的一种基于宽波束定向通信的分簇组网方法，其特征在于，步骤3中，当簇间节点同时进行簇内通信和簇间通信时进行优先级排队，具体过程为：
【技术特征摘要】
1.一种基于宽波束定向通信的分簇组网方法，其特征在于，包括以下过程：
2.根据权利要求1所述的一种基于宽波束定向通信的分簇组网方法，其特征在于，步骤2中簇内各通信节点通过交互节点探测帧直至各通信节点的拓扑表收敛，取双向链路组成全网拓扑，并进行网络维护，具体过程为：
3.根据权利要求2所述的一种基于宽波束定向通信的...
【专利技术属性】
技术研发人员：许沐，王伟，翟平衡，金志霄，刘文楠，葛声扬，赵紫璇，张子燕，王子琤，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：
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